文 偉 吳進明 劉世豪 郭志忠 梁 棟

1.海南大學機電工程學院 海南?？?570228 2.浙江大學材料科學與工程學院 浙江杭州 310027

工程材料課程是高等院校機械類及近機械類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。課程主要以材料的成分、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系為主線，重點介紹以下四方面的內(nèi)容：工程材料的基本理論，金屬材料的改性(熱處理)與加工，常見工程材料的牌號、成分、熱處理工藝及用途，針對具體的零件進行材料選擇和制訂加工工藝路線。該課程是連接機械設(shè)計與機械制造類課程的橋梁：機械設(shè)計以材料的力學性能為設(shè)計依據(jù)，機械制造以材料的工藝性能為理論指導(dǎo)[1]。該課程的主要特點是內(nèi)容較繁雜、知識點多、覆蓋面廣、內(nèi)在邏輯聯(lián)系較弱等，導(dǎo)致許多學生缺乏學習興趣，對課程知識的掌握較差[2,3]。因此，有效的教學方法對提升課程的教學質(zhì)量至關(guān)重要[4-8]。本文結(jié)合筆者的學習經(jīng)歷和教學經(jīng)驗，粗淺地探討了工程材料課程教學中的方法，經(jīng)過這些方法的實踐，取得了較好的教學效果。

1 聯(lián)系實際 激發(fā)學習興趣

適當結(jié)合生產(chǎn)、生活中的實例進行講解，有利于激發(fā)學生的學習興趣。例如，許多任課教師采用的“泰坦尼克號”所用鋼材的案例分析可讓學生感受到課程學習的重要性。列舉生活中的一些常見實例，可增加課堂的趣味性，例如，在介紹“材料的成分、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系”時，作者曾以日常生活中的“用鋸條鋸鋼管”為例，闡述成分結(jié)構(gòu)如何顯著影響工程材料的性能：同樣是鋼，但因成分和處理工藝(導(dǎo)致組織、結(jié)構(gòu)不同)的差異，導(dǎo)致鋸條可以切割鋼管。此外，還可結(jié)合目前的科學前沿進行介紹，例如石墨烯和準晶材料等與諾貝爾獎成果相關(guān)的內(nèi)容。材料的發(fā)展日新月異，與新材料相關(guān)的各種信息和資訊，學生可通過互聯(lián)網(wǎng)等方式輕松獲得，相對而言，教材的內(nèi)容滯后很多[2]。因此，在教學中應(yīng)注意及時更新相關(guān)的前沿資料。

2 總結(jié)引導(dǎo) 建立方法論

正如前面所述，課程的概念、基本理論較多，與數(shù)學、物理等課程相比，內(nèi)在邏輯聯(lián)系不夠清晰。因此，學生通常難以掌握相關(guān)知識和建立起各知識點之間的相互關(guān)系，導(dǎo)致許多學生陷入“學不懂與不想學”的惡性循環(huán)中。為了較好地消除學生的厭學心理，需要相應(yīng)的措施。

先要適當?shù)匾龑?dǎo)學生進行對比類推，拓展思維，以方便對相關(guān)知識的理解。例如，在介紹相圖時，因為學生在此之前沒有接觸過相關(guān)的知識，沒有相應(yīng)的基礎(chǔ)，所以作者將相圖與地理中的“等高圖”進行類比，以學生已有的簡單知識來幫助其理解復(fù)雜的問題。相圖中的成分和溫度分別類似于等高圖中的經(jīng)度和緯度，當確定某個地點的地理坐標(成分和溫度)后，該地點的海拔高度(材料所處的狀態(tài))隨之確定。

再結(jié)合自身的經(jīng)驗，總結(jié)提煉方法，有助于學生快速掌握分析方法。以杠桿定律為例，根據(jù)相圖，在兩相區(qū)中，兩個相的成分是確定的，因為成分守恒，所以此兩相的比例也是確定的，兩者的比例可根據(jù)杠桿定律計算。利用杠桿定律解題的關(guān)鍵在于準確找出杠桿定律中所需的兩個端點和一個支點。為方便學生對方法的掌握，筆者將杠桿定律的應(yīng)用步驟總結(jié)如下：

(1)首先判斷是否滿足杠桿定律的使用條件；

(2)明確題目中要求的溫度；

(3)在相圖上過此溫度做一條水平線，該水平線與相應(yīng)邊界(即題目待求的相或組織)的交點為杠桿定律所需的兩個端點；

(4)支點為該階段的初始狀態(tài)的成分(注意：在多次應(yīng)用杠桿定律的情況下需要分清每個階段的初始成分)；

(5)將兩個端點和一個支點的成分代入杠桿定律中，可計算出待求結(jié)果。

【例題】：求平衡狀態(tài)下，碳含量為0.4%的鐵碳合金在室溫下的相組成物和組織組成物所占的質(zhì)量分數(shù)。

解：根據(jù)題目條件，滿足杠桿定律的使用條件。根據(jù)鐵碳相圖，碳含量為0.4%的鐵碳合金為亞共析鋼，其在室溫下的相組成為“鐵素體+滲碳體”，組織組成為“鐵素體+珠光體”(此處忽略少量的三次滲碳體)。采用上面介紹的方法，題目要求的溫度為室溫，所以過室溫做水平線，與待求的相組成物(鐵素體和滲碳體)邊界線的交點成分分別為0.000 8%和6.69%；而待求的組織組成物(鐵素體和珠光體)邊界線的交點成分分別為0.000 8%和0.77%。支點為此階段的初始成分，即0.4%。因此，將上述數(shù)據(jù)代入杠桿定律可求得，相組成物的質(zhì)量分數(shù)：w鐵素體=(6.69-0.4)/(6.69-0.000 8)=94%，w滲碳體=1–94%=6%；組織組成物的質(zhì)量分數(shù)：w鐵素體=(0.77-0.4)/(0.77-0.000 8)=48%，w珠光體=1–48% = 52%。

有必要讓學生牢記室溫珠光體中滲碳體的質(zhì)量分數(shù)為12%。因此，本例中，計算獲得組織組成物中珠光體的質(zhì)量分數(shù)后，容易知道相組成中滲碳體的質(zhì)量分數(shù)為52%×12%≈6%。

盡管此類理解方式和描述不十分嚴謹，建立的方法也并不絕對適合于所有的情況，但有助于學生快速掌握分析方法，建立初步的學習興趣。在掌握方法的基礎(chǔ)上，學生再進一步對內(nèi)容深入理解和升華，有利于提高學習效率。

3 多媒體教學與傳統(tǒng)板書的有機結(jié)合

多媒體教學的主要優(yōu)勢在于可視性與趣味性強[4]，有助于學生理解抽象的問題，但目前容易出現(xiàn)過度依賴于多媒體技術(shù)而舍棄了傳統(tǒng)的板書教學的狀況。針對一些較復(fù)雜的問題，板書教學更容易展示分析思路，其相對較慢的速度也有利于學生跟上教師的思維。因此，應(yīng)將多媒體教學與傳統(tǒng)的板書教學有機結(jié)合起來，進行合理搭配使用。例如，在相圖部分，筆者利用多媒體向?qū)W生展示了通過熱分析法建立相圖的過程，使學生直觀地了解到相圖獲得的來龍去脈；采用板書教學分析特定成分的鐵碳合金冷卻過程中的相和組織的轉(zhuǎn)變過程，可清晰地向?qū)W生展示相圖的規(guī)律和畫鐵碳相圖的技巧，并方便地向?qū)W生講授了分析方法。

4 課堂教學與實驗教學相結(jié)合 科研與教學相結(jié)合

課堂教學與實驗教學的有效結(jié)合有利于提高教學效果，課堂教學是實驗教學的理論基礎(chǔ)，通過實驗教學又可使學生進一步加深對課堂知識的理解。例如，鐵碳平衡組織觀察實驗可進一步幫助學生理解相和組織的區(qū)別；熱處理和硬度測試實驗，可使學生直觀體會熱處理工藝對鋼的硬度等力學性能的影響。在實驗內(nèi)容的設(shè)置方面，除了驗證性實驗，可考慮適當安排一些開放性實驗，以培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維。將科研前沿與課程結(jié)合起來，可拓展學生的知識面和激發(fā)學生對課程的興趣，作者的主要研究方向之一為新能源材料，在功能材料一章中，作者結(jié)合自身的科研經(jīng)歷，介紹了近年來新能源材料的發(fā)展，增強了學生的學習興趣。

課程后期，可圍繞學生感興趣的高性能戰(zhàn)機、新能源汽車等現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品，組織選材大討論，幫助學生鞏固工程材料圍繞成分、結(jié)構(gòu)(加工)、性能這一主線所涉及的基礎(chǔ)知識。

5 結(jié)語

本文主要介紹了工程材料課程教學方法的改革與嘗試，主要手段包括：聯(lián)系實際，激發(fā)學生興趣；總結(jié)引導(dǎo)，建立方法論；多媒體教學與傳統(tǒng)板書的有機結(jié)合；課堂教學與實驗教學相結(jié)合，科研與教學相結(jié)合。通過教學實踐，增強了學生的學習興趣，并促進了學生對課程知識的掌握與運用。